CN110965439A - 基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，包括：S1、通过路用探地雷达检测设备获取道路二维剖面图；并提取道路深层结构相对介电常数数据；S2、绘制道路相对介电常数数据图；S3、对同一深度相对介电常数差值范围进行划分，并用0/1/2分别进行表征；S4、分析路病害成因，确定沉陷病害的0/1/2模拟图特征；S5、分析相同深度条件下，道路相对介电常数波动趋势，绘制道路0/1/2模拟图；S6、寻找满足道路沉陷病害相对介电常数波动特征的0/1/2模拟图区域，得到该沉降病害的影响范围。本发明能准确、快速、无损地识别道路二维剖面图中病害的位置、范围信息，反映了道路深层结构运营质量，为探地雷达无损检测技术在道路病害智能识别提供依据。

Description

基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，尤其涉及一种基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法。

背景技术

探地雷达检测技术是一种超高频电磁波的发射、接收和分析技术，它利用不同介质分界面对电磁波的反射现象对目标进行连续扫描，从而确定其内部结构形态和位置的电磁探测技术。由于电磁波在地下介质交界面会发生反射，通过分析地下介质界面反射电磁波的波形特征，就能够获取地下目标的空间位置，构成材质等特征信息。近年来，该技术已广泛应用于工程地质调查、土木工程检测、地质灾害的预测、地下掩埋物的探测等众多领域，在道路检测领域取得了一定的应用，尤其在道路深层病害识别等方面发挥着关键的作用。

道路深层结构存在许多病害，并在车轮的反复作用下将影响至路面产生坑槽等路表病害，影响行车舒适性，威胁行车安全。与正常无病害道路相比，水或气体充入道路病害部位处的空隙将影响该处沥青混合料的介电特性，因此病害区域的道路沥青混合料介电特性与正常道路沥青混合料介电特性具有明显的差异。

在现今道路病害区域雷达二维剖面图研究中，研究人员主要从病害区域雷达图像特征出发，提出病害解译、识别方法，但由于图像变化多样，以上研究仅对特定的雷达图像具有可行性，且结果往往受到解译者主观因素的严重干扰，解译方法无法广泛推广使用。因此，针对目前道路雷达病害区域识别的局限性、主观差异性的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，能准确、快速、无损地识别道路二维剖面图中病害的位置、范围信息，从而反映实际工程中道路深层结构运营质量，也为探地雷达无损检测技术在道路病害智能识别及图像处理方面提供依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过路用探地雷达检测设备探测道路面层和基层，每隔一定间距发射一次电磁波，并接收道路反射的回波，通过路用探地雷达检测设备获取道路二维剖面图；并提取道路深层结构相对介电常数数据；

S2、根据提取到的道路深层结构相对介电常数数据，绘制道路相对介电常数数据图；

S3、根据道路相对介电常数数据图，对同一深度相对介电常数差值范围进行划分，并用0/1/2分别进行表征；

S4、分析路病害成因，确定沉陷病害的0/1/2模拟图特征；

S5、分析相同深度条件下，道路相对介电常数波动趋势，绘制道路0/1/2 模拟图；

S6、寻找满足道路沉陷病害相对介电常数波动特征的0/1/2模拟图区域，得到该沉降病害的影响范围。

进一步地，本发明的步骤S1中获取道路二维剖面图的具体方法为：

设置路用探地雷达检测设备的工作参数，包括：工作频率为1GHz，时窗为0～20ns，探测深度在0～60cm，竖向分辨率0.1mm；

将路用探地雷达检测设备安装至车辆上，在车行驶的过程中，路用探地雷达检测设备由GPS定位系统控制每行驶0.5米发射一次电磁波，并接受道路反射的回波，通过路用探地雷达检测设备获取道路二维剖面图。

进一步地，本发明的步骤S1中提取道路深层结构相对介电常数数据的具体方法为：

通过PaveCheck软件，对路用探地雷达检测设备获取的雷达检测数据进行成像并进行数据处理；进入数据导出工作界面，得到Trace总数，Trace为雷达测点序号；根据Trace序号导出一定长宽的矩形区域的相对介电常数平均值，进而得到雷达检测二维剖面图中每个区域的相对介电常数数据；导出的数据为 txt文本格式，通过Excel中自文本功能将数据导入Excel表格中。

进一步地，本发明的步骤S2中绘制道路相对介电常数数据图的具体方法为：

使用Excel中色阶功能，将每个单元格的按表格中的相对介电常数值通过颜色进行区分；数值最大的单元背景设为蓝色，而数值最小的单元背景设为红色，得到分色后的相对介电常数数据图的轮廓与雷达二维剖面图一致。

进一步地，本发明的步骤S3中确定0/1/2表征的同一深度介电常数差值范围的具体方法为：

由CRIM模型计算得到正常的沥青混合料的相对介电常数波动范围，认为沥青同一深度前后两个区域的相对介电常数差值小于3为正常相对介电常数波动，用0表征；假设当道路存在空洞即沥青混合料仅含有空气时沥青混合料的相对介电常数为1，正常区域与病害区域的相对介电常数波动差值为10，因此当道路同一深度相对介电常数波动范围为3～10时认为道路相对介电常数存在轻微波动，用1表征；当道路同一深度相对介电常数波动范围大于10时认为道路相对介电常数存在较大波动。

进一步地，本发明的步骤S4中确定沉陷病害的0/1/2模拟图特征的具体方法为：

沉陷病害出现的原因是路基在自然因素和行车作用下，达到进一步密实和稳定，沉陷上部沥青混合料密度降低，沥青混合料向下挤密，导致下部沥青混合在行车作用下密度增加；与此同时，由于错峰的原因，上部沥青混合料密度存在多次循环变化即“低-高...”；基于CRIM模型知，空气的增加将导致沥青混合料相对介电常数的减小；沉陷上部沥青混料区域的0/1/2模拟图为“1-0-1-0-1”；病害区域下部区域的0/1/2模拟图为“1-0-0-0-1”。

进一步地，本发明的步骤S5中绘制道路0/1/2模拟图的具体方法为：

在Excel函数框中输入函数：

‘IF(ABS(Sheet1！B1-Sheet1！A1)>＝3,IF(ABS(Sheet1！B1-Sheet1！A1)< ＝10,1,2),0)’

该函数意义为“如果表中的B1-A1的绝对值小于3，则令B1为0，绝对值大于3小于10则B1为1，绝对值大于10则B1单元格为2”，然后将该函数下拉至所有表格，即可确定道路每一个点的相对介电常数波动值大小；为使 Excel中0/1/2变化趋势更加直观，使用Excel中定位功能，选中表格中所有值为1、2的单元，分别将单元格背景设为红色、蓝色。

进一步地，本发明的步骤S6中寻找满足道路沉陷病害相对介电常数波动特征的0/1/2模拟图区域的具体方法为：

处理后的0/1/2模拟图只有三种颜色：白色代表正常相对介电常数波动范围；红色表示轻微波动；蓝色代表较大波动的相对介电常数波动的范围，人工识别病害区域的位置；表格中每一行代表的纵向间距为0.4mm，每一列代表的横向间距为0.5m，通过计算表格的行、列数即可得出该沉陷病害的影响范围。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，(1)提高道路深层结构沉陷区域识别精度，不受主观因素的干扰；本发明是基于适用于沥青混合料的复合材料介电模型提出的道路病害区域解译方法。与传统的基于雷达图像特征所提出的解译方法相比，本发明从数据角度出发，分析了病害区域内沥青混合料相对介电常数的波动趋势，并用 0/1/2对道路雷达图像进行模拟，因此基于本发明识别的道路沉陷病害范围不受病害区域雷达图像大小、颜色等因素干扰。由于道路各类病害范围内所含各组分材料的比例不同，导致道路各类病害区域沥青混合料相对介电常数的波动趋势也存在差异，因此道路各类病害区域的0/1/2模拟图近似一致，具有独特性，故不受图像解译者主观因素的干扰。(2)可准确识别道路病害区域范围； Excel中导入的相对介电常数数据表的每一行代表道路某一特定深度，每一列代表道路某一特定纵向距离。由于病害区域的沥青混合料相对介电特性与周围正常道路沥青混合料相对介电特性存在明显差异，因此通过本发明所得的模拟图在病害区域与正常区域边界出现明显数值变化，进而通过数值变化的列数、行数可确定道路深层病害区域的范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

附图1探地雷达检测车：1为WB1-21型路用探地雷达检测设备；2为三菱车；

附图2为PaveCheck软件；

附图3为道路沉陷病害区域沥青混合料0/1/2模拟图；

附图4为介电常数数据图；

附图5为沉陷病害区域介电常数数据图；

附图6为道路沉陷病害区域0/1/2真实模拟图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，本次检测使用的是由武汉理工大学和美国农机大学联合开发的WB1-21型路用探地雷达检测设备。WB1-21型路用探地雷达检测设备的工作频率为1GHz，时窗为0～20ns，探测深度在0～60cm，竖向分辨率0.1mm。由于探地雷达检测深度为60cm，此次检测目标为道路面层以及基层。工作人员将WB1-21型路用探地雷达检测设备安装至三菱车，在车行驶的过程中，设备由GPS定位系统控制每行驶0.5米发射一次电磁波，并接受道路反射的回波，通过该设备于湖北京珠高速武汉段获取道路二维剖面图；

PaveCheck软件是与WB1-21型路用探地雷达检测设备相结合雷达检测数据成像以及数据处理软件，将检测数据导入至PaveCheck软件中，通过软件提取道路各个深度的相对介电常数；

CRIM模型或称为均方根模型是较具代表性并被广泛采用的路用材料复合介电模型，其式如下所示：

式中：ε_m为混合物的介电常数值(单位：F/m)，ε_i为第i份组成分的介电常数(单位：F/m)，fi为第i份组成分的体积率。沥青混合料是由固相、液相和气相组成的三相体。沥青混合料的介电特性是由各组成成分的介电特性来决定的，通过CRIM模型计算病害区域沥青混合料相对介电常数波动范围，用0/1/2表征正常沥青混合料相对介电常数与异常区域沥青混合料相对介电常数不同差值的波动范围；

表1常用路用材料介电常数范围

提取道路沉陷、松散区域的相对介电常数的数据并将数据导入至Excel中，通过函数计算道路在同一深度处某雷达发射点测得沥青混合料相对介电常数与前一雷达发射点测得沥青混合料相对介电常数的差值，用前文分析的波动范围特征值即0/1/2表征每个点的相对介电常数波动差值；

对沉陷病害区域雷达检测图像进行图像模拟，分析各类病害相对介电常数波动趋势。通过对大量已确定的沉陷病害雷达图像进行模拟，道路沉陷区域沥青混合料的0/1/2模拟图特征为：上部相对介电特性波动为“1-0-1-0-1”；下部相对介电特性波动为“1-0-0-0-1”。

(一)通过PaveCheck软件提取道路深层结构相对介电常数数据

PaveCheck软件是与WB1-21型路用探地雷达检测设备相结合雷达检测数据成像以及数据处理软件，附图2为数据导出工作界面，由图可知Trace总数为2211个(Trace为雷达测点序号)；Output Format选择Horizontal Listed，因为Vertical Listed只能导出50个Trace；Date Type中的选择项Voltage和12bit Binary，二者数据可以互相转换；导出方式选择By trace number；起始Trace 为146，终点为2145，沿道路方向共2000组数据，且每个数值代表一个长为 0.5m宽为0.4mm的矩形区域的相对介电常数平均值。通过该步骤即可导出该雷达检测二维剖面图中每个区域的相对介电常数数据。由于导出的数据为txt 文本格式，需通过Excel中自文本功能将数据导入Excel表格中。

(二)绘制道路相对介电常数数据图

为使用户观察相对接介电常数数据变化更加直观，使用Excel中色阶功能，将每个单元格的按表格中的相对介电常数值通过颜色进行区分。数值最大的单元背景设为蓝色，而数值最小的单元背景设为红色(如附图4)，并且通过比对可知分色后的相对介电常数数据图的轮廓基本与雷达二维剖面图一致。

(三)确定0/1/2表征的同一深度介电常数差值范围

假设在沥青混合料中集料为石灰岩，集料的体积占总体积为92％；孔隙率为4％；沥青的体积占总体积的4％；由CRIM模型计算可知正常的沥青混合料的相对介电常数波动范围为(7.56～11.76)，故可认为沥青同一深度前后两个区域的相对介电常数差值小于3为正常相对介电常数波动，用0表征。沥青混合料的孔隙率是导致道路沉陷病害与正常道路介电特性差异的重要因素。假设当道路存在空洞即沥青混合料仅含有空气时沥青混合料的相对介电常数为 1，正常区域与病害区域的相对介电常数波动差值为10，因此当道路同一深度相对介电常数波动范围为3～10时可认为道路相对介电常数存在轻微波动，用 1表征。当道路同一深度相对介电常数波动范围大于10时可认为道路相对介电常数存在较大波动，用2表征；

表2 0/1/2模拟

(四)分析道路病害成因，确定沉陷病害的0/1/2模拟图特征

沉陷病害出现的原因是路基在自然因素和行车作用下，达到进一步密实和稳定。沉陷上部沥青混合料密度降低，沥青混合料向下挤密，导致下部沥青混合在行车作用下密度增加。与此同时，由于错峰等原因，上部沥青混合料密度可能存在多次循环变化即“低-高…..”。基于CRIM模型知，空气的增加将导致沥青混合料相对介电常数的减小。基于以上分析可知，沉陷上部沥青混料区域的0/1/2模拟图为“1-0-1-0-1”。病害区域下部区域的0/1/2模拟图为“1-0-0-0-1”

(五)分析相同深度条件下，道路相对介电常数波动趋势，绘制道路0/1/2 模拟图

在Excel函数框中输入函数：

‘IF(ABS(Sheet1！B1-Sheet1！A1)>＝3,IF(ABS(Sheet1！B1-Sheet1！A1)< ＝10,1,2),0)’，该函数意义为“如果表中的B1-A1的绝对值小于3，则令B1为0，绝对值大于3小于10则B1为1，绝对值大于10则B1单元格为2”，然后将该函数下拉至所有表格，即可确定道路每一个点的相对介电常数波动值大小。为使Excel中0/1/2变化趋势更加直观，使用Excel中定位功能，选中表格中所有值为1、2的单元，分别将单元格背景设为红色、蓝色。

(六)寻找满足道路沉陷病害相对介电常数波动特征的0/1/2模拟图区域

由于处理后的0/1/2模拟图只有三种颜色：白色代表正常相对介电常数波动范围；红色表示轻微波动；蓝色代表较大相对介电常数波动的范围，因此人工极易识别病害区域的位置(如附图6)。表格中每一行代表的纵向间距为0.4mm，每一列代表的横向间距为0.5m，因此通过计算表格的行、列数即可得出该沉陷病害的影响范围。

本发明以沥青混合料介电特性为基础，提出一种图像模拟技术，通过 CRIM模型计算各类病害区域相对介电常数波动范围，计算道路正常区域相对介电常数与病害区域相对介电常数差值波动范围，用0/1/2表征不同差值波动范围，其中0代表无明显介电特性波动；1代表轻微介电特性波动；2代表较大介电特性波动。使用0/1/2模拟道路雷达检测二维剖面图可以将复杂的、多色彩的雷达图像简化为单一的相对介电常数波动数据图。基于该技术，本发明研究道路沉陷区域沥青混合料介电特性变化特征，提出一种基于沥青混合料介电模型的道路深层沉陷病害雷达图像解译方法，通过本发明识别的道路沉陷病害范围不受病害区域雷达图像大小、颜色等因素干扰，具有一定的工程价值，为今后为探地雷达无损检测技术在道路病害智能识别及图像处理方面提供依据。

本发明结合理论公式，计算道路病害区域相对介电常数范围，通过excel 软件分析道路深层结构相对介电常数波动趋势，模拟道路雷达检测图像，确定了沉陷病害区域模拟图特征。本发明可实现精确查找道路二维雷达检测图像中病害区域的位置、范围，同时本方法具有一定的工程价值，可以为探地雷达无损检测技术在道路病害智能识别及图像处理方面提供依据。具体如下：

(1)提高道路深层结构沉陷区域识别精度，不受主观因素的干扰

本发明是基于适用于沥青混合料的复合材料介电模型提出的道路病害区域解译方法。与传统的基于雷达图像特征所提出的解译方法相比，本发明从数据角度出发，分析了病害区域内沥青混合料相对介电常数的波动趋势，并用 0/1/2对道路雷达图像进行模拟，因此基于本发明识别的道路沉陷病害范围不受病害区域雷达图像大小、颜色等因素干扰。由于道路各类病害范围内所含各组分材料的比例不同，导致道路各类病害区域沥青混合料相对介电常数的波动趋势也存在差异，因此道路各类病害区域的0/1/2模拟图近似一致，具有独特性，故不受图像解译者主观因素的干扰。

(2)可准确识别道路病害区域范围

Excel中导入的相对介电常数数据表的每一行代表道路某一特定深度，每一列代表道路某一特定纵向距离。由于病害区域的沥青混合料相对介电特性与周围正常道路沥青混合料相对介电特性存在明显差异，因此通过本发明所得的模拟图在病害区域与正常区域边界出现明显数值变化，进而通过数值变化的列数、行数可确定道路深层病害区域的范围。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、通过路用探地雷达检测设备探测道路面层和基层，每隔一定间距发射一次电磁波，并接收道路反射的回波，通过路用探地雷达检测设备获取道路二维剖面图；并提取道路深层结构相对介电常数数据；

S2、根据提取到的道路深层结构相对介电常数数据，绘制道路相对介电常数数据图；

S3、根据道路相对介电常数数据图，对同一深度相对介电常数差值范围进行划分，并用0/1/2分别进行表征；

S4、分析路病害成因，确定沉陷病害的0/1/2模拟图特征；

S5、分析相同深度条件下，道路相对介电常数波动趋势，绘制道路0/1/2模拟图；

S6、寻找满足道路沉陷病害相对介电常数波动特征的0/1/2模拟图区域，得到该沉降病害的影响范围。

2.根据权利要求1所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S1中获取道路二维剖面图的具体方法为：

设置路用探地雷达检测设备的工作参数，包括：工作频率为1GHz，时窗为0～20ns，探测深度在0～60cm，竖向分辨率0.1mm；

将路用探地雷达检测设备安装至车辆上，在车行驶的过程中，路用探地雷达检测设备由GPS定位系统控制每行驶0.5米发射一次电磁波，并接受道路反射的回波，通过路用探地雷达检测设备获取道路二维剖面图。

3.根据权利要求1所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S1中提取道路深层结构相对介电常数数据的具体方法为：

通过PaveCheck软件，对路用探地雷达检测设备获取的雷达检测数据进行成像并进行数据处理；进入数据导出工作界面，得到Trace总数，Trace为雷达测点序号；根据Trace序号导出一定长宽的矩形区域的相对介电常数平均值，进而得到雷达检测二维剖面图中每个区域的相对介电常数数据；导出的数据为txt文本格式，通过Excel中自文本功能将数据导入Excel表格中。

4.根据权利要求2所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S2中绘制道路相对介电常数数据图的具体方法为：

使用Excel中色阶功能，将每个单元格的按表格中的相对介电常数值通过颜色进行区分；数值最大的单元背景设为蓝色，而数值最小的单元背景设为红色，得到分色后的相对介电常数数据图的轮廓与雷达二维剖面图一致。

5.根据权利要求1所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S3中确定0/1/2表征的同一深度介电常数差值范围的具体方法为：

由CRIM模型计算得到正常的沥青混合料的相对介电常数波动范围，认为沥青同一深度前后两个区域的相对介电常数差值小于3为正常相对介电常数波动，用0表征；假设当道路存在空洞即沥青混合料仅含有空气时沥青混合料的相对介电常数为1，正常区域与病害区域的相对介电常数波动差值为10，因此当道路同一深度相对介电常数波动范围为3～10时认为道路相对介电常数存在轻微波动，用1表征；当道路同一深度相对介电常数波动范围大于10时认为道路相对介电常数存在较大波动。

6.根据权利要求1所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S4中确定沉陷病害的0/1/2模拟图特征的具体方法为：

沉陷病害出现的原因是路基在自然因素和行车作用下，达到进一步密实和稳定，沉陷上部沥青混合料密度降低，沥青混合料向下挤密，导致下部沥青混合在行车作用下密度增加；与此同时，由于错峰的原因，上部沥青混合料密度存在多次循环变化即“低-高...”；基于CRIM模型知，空气的增加将导致沥青混合料相对介电常数的减小；沉陷上部沥青混料区域的0/1/2模拟图为“1-0-1-0-1”；病害区域下部区域的0/1/2模拟图为“1-0-0-0-1”。

7.根据权利要求1所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S5中绘制道路0/1/2模拟图的具体方法为：

在Excel函数框中输入函数：

‘IF(ABS(Sheet1！B1-Sheet1！A1)>＝3,IF(ABS(Sheet1！B1-Sheet1！A1)<＝10,1,2),0)’

该函数意义为“如果表中的B1-A1的绝对值小于3，则令B1为0，绝对值大于3小于10则B1为1，绝对值大于10则B1单元格为2”，然后将该函数下拉至所有表格，即可确定道路每一个点的相对介电常数波动值大小；为使Excel中0/1/2变化趋势更加直观，使用Excel中定位功能，选中表格中所有值为1、2的单元，分别将单元格背景设为红色、蓝色。

8.根据权利要求7所述的基于沥青混合料介电模型的道路沉陷病害图像解译方法，其特征在于，步骤S6中寻找满足道路沉陷病害相对介电常数波动特征的0/1/2模拟图区域的具体方法为：

处理后的0/1/2模拟图只有三种颜色：白色代表正常相对介电常数波动范围；红色表示轻微波动；蓝色代表较大波动的相对介电常数波动的范围，人工识别病害区域的位置；表格中每一行代表的纵向间距为0.4mm，每一列代表的横向间距为0.5m，通过计算表格的行、列数即可得出该沉陷病害的影响范围。

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